Новое исследование показывает, что сотни генов бактерий, грибов и вирусов были интегрированы в геномы растений.
Гены микроорганизмов попали в зеленые водоросли и растения сотни миллионов лет назад, что позволяет предположить, что эволюция растений от воды к суше могла быть обусловлена этими событиями, говорится в новом исследовании. Ученые обнаружили почти 600 генов бактерий, грибов и вирусов, которые со временем интегрировались в растения в процессе, известном как горизонтальный перенос генов (ГПГ); многие из них являются источником желательных признаков для наземной жизни. Исследование было опубликовано в журнале Molecular Plant.
"Наше исследование меняет общепринятый взгляд на эволюцию наземных растений", - говорит старший автор исследования Джинлинг Хуанг, профессор биологии из Университета Восточной Каролины в США. "Я подозревал, что горизонтальный перенос генов помог растениям перебраться из воды на сушу, но до сих пор мы не знали, насколько большую роль он сыграл".
Горизонтальный перенос генов представляет собой перемещение генетического материала между организмами разных видов, что часто встречается у бактерий и, например, является причиной быстрого распространения резистентности к антибиотикам. Однако его роль в сложных многоклеточных организмах, таких как растения и животные, остается спорной. Традиционно ученые считали, что гены в растениях и животных перемещаются только посредством вертикального переноса генов, когда гены передаются от родителей к потомству, а новые гены и признаки появляются в результате мутаций. Однако Хуанг и его коллеги нашли свидетельства предыдущих исследований, которые заставили их задуматься о том, что ГПГ в растениях может быть более распространенным явлением, чем считалось ранее.
Для изучения этого вопроса специалисты собрали геномы 31 растения, включая виды из всех четырех групп растений - мхов, папоротников, деревьев, которые цветут или производят шишки и семена, а также харофитов - группы зеленых водорослей, наиболее близко связанных с современными наземными растениями. Используя геномный анализ для сравнения полногеномных последовательностей различных видов, они искали в растениях гены, которые произошли от бактерий, вирусов, грибов или животных, и обнаружили в общей сложности 593 семейства генов. Это число намного больше, чем считалось ранее, и перенесены они были, прежде всего, из микроорганизмов, таких как бактерии и грибы. Это исследование показывает, что ГПГ активен у харофитов и всех основных групп наземных растений, хотя интересно, что недавно приобретенные гены гораздо менее распространены у семенных растений.
Они также определили два основных события ГПГ - во время ранней эволюции харофитов и возникновения наземных растений, когда более сотни семейств генов перекочевали из микробов в растения. По мнению исследователей, эти приобретенные гены могут влиять на физиологию и развитие растений, что в конечном итоге приведет к лучшей адаптации растений к окружающей среде и позволит им жить на суше.
"Наши результаты свидетельствуют о том, что ГПГ играет важную роль в эволюции наземных растений", - говорит Хуанг. "По сравнению с мутациями, возникающими при вертикальном переносе генов, ГПГ позволяет растениям быстро приобретать новые признаки, и некоторые из этих новых признаков могут помочь растениям адаптироваться к резко изменившейся среде, например, при переходе из воды на сушу".
Известно, что многие из этих генов выполняют важные биологические функции в растениях. Например, гены late embryogenesis abundant (LEA), происходящие от бактерий, помогают растениям адаптироваться к более сухой среде. Ген транспортера аммония, полученный от грибов, помогает растениям поглощать азот из почвы для роста. Далее исследователи планируют продолжить изучение перенесенных генов в бриофитах - группе растений, включающей мхи. Многие чужеродные гены в этих растениях имеют неизвестные функции, и будущие исследования могут помочь выявить полезные гены, которые однажды можно будет перенести в сельскохозяйственные культуры для их улучшения.